- •1 Физико-химические основы материаловедения 5
- •2 Проводниковые материалы 39
- •3 Полупроводниковые материалы 114
- •4 Диэлектрические материалы 136
- •5 Магнитные материалы 188
- •Введение
- •1 Физико-химические основы материаловедения
- •1 .1 Общие сведения о строении вещества
- •1.1.1 Типы химических связей
- •1.1.2 Агрегатные состояния вещества
- •1.1.3 Кристаллическое строение вещества
- •1.1.4 Анизотропия кристаллов. Индексы Миллера
- •1.1.5 Процесс кристаллизации веществ
- •1.1.6 Полиморфизм (аллотропия)
- •1.1.7 Виды дефектов в кристаллах
- •1.1.8 Влияние термической обработки на структуру свойства материалов
- •1.1.9 Влияние пластической деформации на структурные свойства материалов
- •1.2 Основные cbeдения о сплавах
- •1.2.1 Понятие о сплавах
- •1.2.2 Диаграммы состояния двойных сплавов
- •1.2.3 Диаграмма "состав-свойство"
- •1.2.4 Диаграмма состояния сплавов железо-углерод.
- •1.3.Основные свойства и параметры материалов.
- •1.3.1 Механические и технологические свойства материалов и методы их определения
- •1.3.1.1 Определение твердости металлов и сплавов
- •1.3.2 Тепловые характеристики
- •1.3.3 Физико-химические характеристики
- •1.3.4 Электрофизические характеристики
- •1.3.5 Зонная структура твердых тел
- •2 Проводниковые материалы
- •2.1 Классификация проводниковых материалов
- •2.2 Электрические свойства проводниковых материалов
- •2.3 Материалы с высокой проводимостью
- •2.3.1 Медь и ее сплавы
- •2.3.2 Алюминий и его сплавы
- •2.3.3 Натрий
- •2.4 Материалы с высоким сопротивлением
- •2.4.1 Проволочные резистивные материалы
- •2.4.2. Пленочные резистивные материалы
- •2.4.3. Материалы для термопар
- •2.5 Проводниковые материалы и сплавы различного применения
- •2.5.1 Благородные металлы
- •2.5.2 Тугоплавкие металлы
- •2.5.3 Ртуть Hg
- •2.5.4. Легкоплавкие металлы
- •2.6 Сверхпроводники и криопроводники
- •2.6.1 Сверхпроводники
- •2.6.2 Криопроводники
- •2.7 Неметаллические проводниковые материалы
- •2.7.1 Материалы для электроугольных изделий
- •2.7.2 Проводящие и резистивные композиционные материалы
- •2.7.3 Контактолы
- •2.8 Материалы для подвижных контактов
- •2.8.1 Материалы для скользящих контактов
- •2.8.2 Материалы для разрывных контактов
- •2.9 Припои
- •2.10 Металлокерамика
- •2.11 Металлические покрытия
- •2.12 Проводниковые изделия
- •2.14 Порошковые конструкционные материалы
- •2.15 Композиционные конструкционные материалы
- •2.16 Металлы и сплавы для элементов конструкции полупроводниковых приборов и микросхем
- •3 Полупроводниковые материалы
- •3.1 Собственная и примесная электропроводность полупроводников
- •3.2 Примеси в полупроводниках
- •3.3 Основные параметры полупроводников
- •3.3.2 Удельное электрическое сопротивление - параметр, характеризующий способность материала проводить электрический ток:
- •3.3.6. Концентрация носителей заряда.
- •3.4 Влияние различных факторов на электропроводность полупроводников
- •3.4.1 Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •3.4.2 Зависимость электропроводности полупроводников от внешнего электрического поля.
- •3.4.3 Влияние деформации на проводимость полупроводников
- •3.4.4 Влияние света на проводимость полупроводников
- •3.5 Производство полупроводниковых материалов
- •3.5.1. Выращивание монокристаллов кремния по методу Чохральского
- •3.5.2. Зонная плавка кремния и германия
- •3.6 Свойства полупроводниковых материалов и их применение
- •3.6.1 Классификация полупроводниковых материалов
- •3.6.2 Применение полупроводниковых материалов
- •3.6.3 Германий
- •3.6.4 Кремний
- •3.6.5 Карбид кремния
- •3.6.6. Полупроводниковые соединения aiii bv
- •3.6.7. Соединения aiibvi и другие халькогенидные полупроводники
- •4 Диэлектрические материалы
- •4.1 Общие сведения о диэлектриках
- •4.2 Поляризация диэлектриков
- •4.2.1 Электронная поляризация
- •4.2.2 Ионная поляризация
- •4.2.3 Дипольно-релаксационная поляризация
- •4.2.4 Ионно-релаксационная поляризация
- •4.2.5 Самопроизвольная (спонтанная) поляризация
- •4.3 Классификация диэлектриков по виду поляризации
- •4.4 Диэлектрическая проницаемость
- •4.4.1 Зависимость ε от температуры для полярных диэлектриков
- •4.4.2 Зависимость ε от температуры для неполярных диэлектриков
- •4.4.3 Зависимость ε от влажности
- •4.4.4 Зависимость ε от частоты f
- •4.5 Электропроводность диэлектриков
- •4.6 Диэлектрические потери
- •4.6.1 Виды диэлектрических потерь
- •4.7 Пробой диэлектриков
- •4.7.1 Основные понятия пробоя диэлектрика
- •4.7.2 Виды пробоев в диэлектриках
- •4.8 Физико-химические свойства диэлектриков
- •4.8.1 Теплопроводность
- •4.8.2 Химические свойства диэлектриков
- •4.9 Газообразные диэлектрические материалы
- •4.10 Жидкие диэлектрические материалы
- •4.11 Активные диэлектрики
- •4.11.1 Сегнетоэлектрики
- •4.11.2 Пьезоэлектрики
- •4.11.3 Электреты
- •4.11.4 Диэлектрики для оптической генерации
- •4.11.5 Электрооптические материалы
- •4.11 Твердые органические диэлектрики
- •4.11.1 Основные понятия о высокомолекулярных соединениях (полимерах)
- •4.11.2 Пластмассы
- •4.11.3 Компаунды
- •4.11.4 Лаки
- •4.11.5 Эпоксидные смолы
- •4.11.6 Клеи
- •4.12 Твердые неорганические диэлектрики
- •4.12.1 Неорганические стёкла
- •4.12.1.1 Классификация неорганических стекол
- •4.12.1.2 Кварцевое стекло
- •4.12.2 Ситаллы
- •4.12.3 Керамика, свойства, типы, применение
- •4.13 Диэлектрические материалы в микроэлектронике.
- •5 Магнитные материалы
- •5.1 Природа магнетизма
- •5.2 Основные параметры магнитных веществ
- •5.3 Классификация магнитных материалов
- •5.3.1 Слабомагнитные вещества
- •5.3.2 Сильномагнитные вещества
- •5.4 Магнитомягкие материалы
- •5.4.1 Технически чистое железо (низкоуглеродистая сталь)
- •5.4.2 Пермаллои
- •5.4.3 Аморфные магнитные материалы
- •5.4.4 Магнитодиэлектрики
- •5.4.5 Ферриты
- •5.5 Магнитотвёрдые материалы
- •5.5.1 Литые высококоэрцитивные сплавы
- •5.5.3 Магнитотвердые ферриты
- •5.5.4 Сплавы на основе редкоземельных металлов
- •5.5.5 Другие магнитотвердые металлы
- •5.6 Материалы специального назначения
2.4.2. Пленочные резистивные материалы
Пленочные резистивные материалы получают из исходных материалов в процессе получения самих резистивных пленок. Свойства таких резистивных пленок значительно отличаются от свойств исходных материалов. Тонкие резистивные пленки наносят на изоляционные основания (подложки) методом термического испарения в вакууме; катодным, реактивным и ионноплазменным распылением, электрохимическим и химическим осаждением и др. В качестве оснований используют стекло, керамику, ситалл, поликор, слоистые пластики и др.
К материалам, применяемым для изготовления пленочных резисторов, предъявляются следующие требования: возможность изготовления стабильных во времени резисторов с низким температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления ТКρ, хорошая адгезия к диэлектрическим подложкам, высокая коррозионная стойкость и устойчивость к длительному воздействию высокой температуры.
В зависимости от исходных материалов пленочные резисторы разделяют на металлопленочные и металлооксидные, композиционные, углеродистые.
Для изготовления металлопленочных и металлооксидных резисторов применяют тугоплавкие металлы тантал, титан, никель, хром, рений, вольфрам и сплавы на их основе.
Металлопленочные резисторы обладают следующими свойствами:
- толщина тонких резистивных пленок 1…10 мкм;
- повышенные значения удельного поверхностного сопротивления ρS;
- низкие значения температурного коэффициента поверхностного электрического сопротивления ТКRS;
- температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ пленок толщиной менее нескольких нанометров от- рицателен;
- мелкозернистая структура;
- удельное объемное сопротивление пленок зависит от толщины и больше, чем у исходных материалов.
В зависимости от толщины пленок и условий их нанесения параметры металлопленочных резисторов можно регулировать в широком диапазоне. Для повышения электрического сопротивления резистивных пленок из титана и тантала их наносят реактивным распылением в атмосфере азота, кислорода или углерода, т.е. совмещают процессы получения проводящих и диэлектрических слоев в одном цикле с использованием одного и того же материала. При окислении на поверхности металлических пленок образуются оксиды титана и тантала, которые обладают хорошими диэлектрическими свойствами.
Пленочные резисторы из рения и вольфрама получают методом катодного распыления и защищают тонким слоем двуокиси кремния для стабилизации электрического сопротивления. Такие пленочные резисторы обладают следующими свойствами: электрическое сопротивление в несколько тысяч Ом на квадрат поверхности, низкий температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ, высокая стойкость к окислению, способность работать при высоких удельных нагрузках, способность работать при повышенных температурах.
В качестве резистивных материалов на основе металлов применяют многокомпонентные металлосилицидные сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением, содержащие кремний Si.
Сплавы марки PC содержат кремний и легирующие компоненты (хром, никель, железо). Их выпускают в виде сыпучих порошков с размерами частиц 40...70 мкм и применяют для получения тонкопленочных, в том числе и прецизионных, микросхем общего и частного применения. В сплаве РС3710 содержатся 37% Cr, 10% Ni, остальные Si, а в сплаве РС4800 – 48% Cr, остальные Si.
Сплавы марки МЛТ-3М содержат 44% кремния 14% железа, 18% меди, 24% вольфрама. Их выпускают в виде мелкозернистых порошков.
Из композиционных материалов на металлической основе широкое распространение получили керметы – это композиты, получаемые спеканием керамических и металлических порошков. Матрицей, связующим компонентом в керметах является Fe, Ni, Со, Сг, Mo, W и их сплавы, а наполнителем являются керамические вещества на основе окиси Be, Mg, Ti, Ni, Si. В полупроводниковом производстве наиболее распространенным керметом является система Cr-SiO с содержанием SiO от 10-60%, используемый как резистивный материал для тонкопленочных резисторов.
Керметные резисторы обладают хорошей однородностью свойств и повышенной термостойкостью.
Металлооксидные материалы образуют резистивные пленки, которые обладают высокой термостойкостью. Наиболее широкое применение для изготовления таких резистивных пленок получили материалы на основе двуокиси олова (SnO2).
Пленки двуокиси олова обладают хорошей адгезией к изоляционным подложкам и высокой кислотостойкостью.
Композиционные резистивные материалы представляют собой механические смеси мелкодисперсных порошков металлов и их соединений с органической или неорганической связкой.
В качестве проводящей фазы используют проводники (порошки серебра, палладия) и полупроводники (оксиды серебра, палладия, карбиды кремния, вольфрама).
В качестве связующих веществ применяют термопластичные и термореактивные полимеры, порошкообразное стекло, неорганические эмали.
Композиции, содержащие органические связующие вещества, образуют композиционные резистивные пленки, которые подвержены действию влаги и повышенной температуры. Предельная рабочая температура композиционных резистивных пленок не выше 150°С.
Композиции с неорганическими связующими элементами после спекания при высоких температурах образуют композиционные резистивные пленки с высокой влаго- и теплостойкостью до температуры 350°С. Однако верхний предел сопротивлений резисторов снижается, увеличиваются нелинейность и собственные шумы.
К недостаткам композиционных резистивных пленок относятся повышенный уровень собственных шумов, зависимость сопротивления от частоты и старение при длительной нагрузке.
Углеродистые материалы используют в качестве пленочного резистивного материала в виде проводящих модификаций углерода: природного графита, сажи, пиролитического углерода. Пиролизу подвергают, как правило, углеводороды метанового ряда, которые обладают способностью при высоких температурах разлагаться с образованием на изоляционных подложках пиролитического углерода. По структуре и свойствам пиролитический углерод близок к графиту.
Пиролитические резистивные пленки углерода обладают следующими свойствами: высокая стабильность параметров, устой-чивость к импульсным перегрузкам, низкий уровень шумов, отрицательный температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ, малая зависимость электрического сопротивления от приложенного напряжения и частоты, относительно низкая себестоимость.